高保真聲音再現(xiàn)愛好者是氮化鎵 （GaN）基本品質(zhì)的最新受益者，因?yàn)樗鼮檫@些發(fā)燒友在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中提供了喘息的機(jī)會(huì)。GaN 解決了他們關(guān)于什么是最佳家庭音頻設(shè)置的難題。

音頻放大器的基本類別是 A 類、AB 類和 B 類，它們利用晶體管的線性區(qū)域，同時(shí)試圖以最小的失真重現(xiàn)完美的輸入音頻信號。已經(jīng)表明，這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 80% 的理論效率，但在實(shí)踐中，它們的效率約為 65% 或更低。在當(dāng)今電池供電的智能手機(jī)、數(shù)字增強(qiáng)無繩技術(shù) （DECT） 手機(jī)和藍(lán)牙揚(yáng)聲器的世界中，這種線性方法已成為歷史，因?yàn)樗鼘﹄姵貕勖芯薮笥绊憽Ｅc電子行業(yè)的大多數(shù)其他領(lǐng)域一樣，發(fā)燒友發(fā)現(xiàn)使用切換方法比線性方法提供更好的前景。

對于那些堅(jiān)持使用經(jīng)典放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的人來說，他們的要求將集中在準(zhǔn)確的音頻再現(xiàn)上，而很少考慮解決方案的整體電氣效率。雖然這在家庭音頻環(huán)境中是完全合理的，但許多應(yīng)用都需要高放大器效率。這可能是為了節(jié)省能源和延長電池壽命，或減少散熱，從而獲得更密集、更緊湊的最終產(chǎn)品。

在 1950 年代提出的 D 類放大器一直使用一對推/拉配置的開關(guān)器件（圖 1）。脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 信號（其占空比由輸入的音頻信號控制）確保開關(guān)器件處于開啟或關(guān)閉狀態(tài)，從而將其線性區(qū)域內(nèi)的操作保持在最低限度。這提供了 100% 的理論效率和零失真的可能性。

圖 1：D 類放大器設(shè)計(jì)的基本框圖

然后，唯一可用的鍺晶體管被證明不適合這種開關(guān)拓?fù)涞男枨螅虼耍缙诘姆糯笃髟O(shè)計(jì)被證明是不成功的。然而，MOSFET 技術(shù)的出現(xiàn)使 D 類設(shè)計(jì)變得吉祥。今天，D 類放大器因其電氣效率而在廣泛的應(yīng)用中找到家。它也被證明在設(shè)計(jì)要求緊湊的地方很受歡迎，例如在今天的平板電視和汽車音響主機(jī)中，因?yàn)橥ǔ２恍枰恐氐纳崞鳌?/p>

基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 （HEMT） 提供了一種新技術(shù)，可用作 D 類設(shè)計(jì)中的開關(guān)，從而進(jìn)一步提高效率并改善音頻質(zhì)量。

滿足 D 類放大器的需求

理論上，D 類開關(guān)器件的高性能需要提供低導(dǎo)通電阻，以最大限度地減少 I2R 損耗。GaN 提供比 Si MOSFET 低得多的導(dǎo)通電阻，并在更小的芯片面積中實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。反過來，這體現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員可以用來將更緊湊的放大器推向市場的小型封裝中。

開關(guān)損耗是另一個(gè)需要充分考慮的因素。在中高功率輸出水平下，D 類放大器的性能異常高效。但在最低功率輸出時(shí)，由于功率器件的損耗，效率被證明很差。

為了克服這一挑戰(zhàn)，一些 D 類放大器方法使用兩種操作模式。這種多電平技術(shù)限制了電源設(shè)備在播放低音量音頻時(shí)可以切換到的輸出電壓。一旦輸出量達(dá)到預(yù)定義的閾值，開關(guān)的輸出電壓軌就會(huì)增加，從而使全電壓擺幅可用。為了進(jìn)一步降低開關(guān)損耗的影響，零電壓開關(guān) （ZVS） 技術(shù)可以在低輸出量下使用，在高功率水平下改為硬開關(guān)。

當(dāng)使用 Si MOSFET 實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于功率器件關(guān)閉和打開時(shí)輸出端的非零電壓，硬開關(guān)模式會(huì)導(dǎo)致體二極管中的電荷積聚。然后建立的反向恢復(fù)電荷 （Q rr ） 需要放電，其時(shí)間需要考慮到 PWM 控制實(shí)施中。在使用 GaN 的設(shè)計(jì)中，這不是問題，因?yàn)檫@些晶體管沒有固有的體二極管，因此沒有 Q rr。其結(jié)果是整體效率更高、失真系數(shù)得到改善以及開關(guān)波形更清晰。

當(dāng)放大器在 ZVS 模式下工作時(shí)，開關(guān)損耗和由此產(chǎn)生的開關(guān)功率損耗被有效消除，因?yàn)檩敵龅霓D(zhuǎn)換是通過電感器電流換向?qū)崿F(xiàn)的。然而，與所有半橋設(shè)計(jì)的情況一樣，需要考慮直通問題，即高側(cè)和低側(cè)開關(guān)同時(shí)開啟的時(shí)刻。通常會(huì)插入一個(gè)稱為消隱時(shí)間的短延遲，以確保其中一個(gè)開關(guān)器件在另一個(gè)開關(guān)器件打開之前完全關(guān)閉。應(yīng)該注意的是，這種延遲會(huì)影響 PWM 信號，從而導(dǎo)致音頻輸出失真，因此目標(biāo)是盡可能短以保持音頻保真度。此延遲的長度取決于功率器件的輸出電容 C oss. 雖然 GaN 晶體管并沒有完全消除 C oss，但它明顯低于 Si MOSFET 器件。因此，在使用 GaN 時(shí)，較短的消隱時(shí)間會(huì)導(dǎo)致放大器失真較小。

盡管有所改進(jìn)，但存儲(chǔ)在該電容中的能量仍然需要處理，在下一個(gè)開啟周期中消散。但是，由于這些損耗的影響在較高的開關(guān)頻率下尤為明顯，因此基于 GaN 的設(shè)計(jì)顯示出比基于 Si 的放大器更高的效率。

了解如何實(shí)現(xiàn) GaN 的優(yōu)勢

GaN HEMT 晶體管的端子命名方式與 Si MOSFET 相同，具有柵極、漏極和源極。它們非常低的電阻是通過柵極和源極之間的二維電子氣 （2DEG） 實(shí)現(xiàn)的，由于提供的電子池有效地實(shí)現(xiàn)了短路。當(dāng)沒有施加?xùn)艠O偏壓時(shí)（V GS = 0 V），p-GaN 柵極停止導(dǎo)通。與硅對應(yīng)物不同，GaN HEMT 是雙向器件。因此，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則可能會(huì)產(chǎn)生反向電流。之所以注意到它們的干凈開關(guān)，是因?yàn)闆]有 Si MOSFET 常見的體二極管（圖 2）。這是與 PN 結(jié)相關(guān)的大部分開關(guān)噪聲的原因。

圖 2：GaN HEMT 晶體管的結(jié)構(gòu)

圖 2a：與 Si MOSFET 相比，有利于 D 類放大器的優(yōu)越開關(guān)特性

已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無需散熱器即可將 160 W 功率傳輸?shù)?8 Ω 的 D 類放大器設(shè)計(jì)。其中一個(gè)原型使用 IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT 和 IRS20957S，這是一款 200 V D 類驅(qū)動(dòng)器 IC（圖 3）。這種特殊的開關(guān)提供的 R DS（on）（max）僅為 70 mΩ。如果與散熱器一起使用，放大器可以輸出高達(dá) 250 W 的功率，并且在 100 W 時(shí)達(dá)到非常可觀的 0.008% THD+N。從 ZVS 到硬開關(guān)的變化可能會(huì)導(dǎo)致 THD+N 測量出現(xiàn)駝峰。該設(shè)計(jì)在 500 kHz 下工作，失真沒有明顯變化（發(fā)生在幾瓦時(shí)），硬開關(guān)區(qū)域保持安靜且非常干凈。

圖 3：250 W D 類放大器設(shè)計(jì)

Figure 3a： The THD+N measurement

總結(jié)

多年來，Si MOSFET 為 D 類放大器設(shè)計(jì)人員提供了出色的服務(wù)，這要?dú)w功于在優(yōu)化其性能方面取得的不斷進(jìn)步。然而，在它們的特性上取得進(jìn)一步的進(jìn)展是具有挑戰(zhàn)性的。此外，R DS（on）的額外降低將導(dǎo)致更大的芯片尺寸，使得構(gòu)建緊湊的音頻放大器設(shè)計(jì)變得更加困難。然而，GaN HEMT 突破了這一限制，同時(shí)還消除了 Q rr。這一點(diǎn)，再加上它們的 C oss降低和在更高開關(guān)頻率下工作的能力，意味著可以創(chuàng)建小體積、緊湊的設(shè)計(jì)，而通常無需求助于散熱器。由此產(chǎn)生的 THD+N 測量結(jié)果還表明這項(xiàng)新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)卓越的音頻性能。

審核編輯：郭婷